機械人車隊營運 即時模型

你負責管理一個倉庫的現場,約 24 部自主移動機械人(AMR)把周轉箱從儲存通道運到四個協作機械人包裝工作單元。每張訂單是一趟 240 m 的行程——200 m 經機械人專用通道,40 m 經有人工作的共用區——再加上在工作單元的揀貨。模型根據已公佈的標準和教科書公式,逐分鐘計算隊列、擠塞、死鎖、停止距離、電池能量和充電器功率,以及軟件版本對停機的影響。這是一個運作原理模型:它不會運行機械人軟件,數字屬一般性質,並非任何產品的數據。僅供教育用途的模擬——實際場地須遵循其自身的風險評估。

你會學到甚麼

模擬器

時間 0 min
運作中的機械人 24 · 已包裝周轉箱 360/h · 訂單前置時間 0.0 min · 可用機械人 100% · A 區(機械人專用) 1.5 m/s · 共用區 1.0 m/s (Δ 0.27 m) · 自由(局部避讓), 陷入死鎖的機械人 0 · 協作機械人工作單元 0%, 協作機械人工作單元內有人 0 · 充電器 0/6 (充電器停用 0), 輪候充電器的機械人 0 · 平均電池電量 67% · v1 24, v2.0 0, v2.1 0 · 每機械人小時停機次數(最新版本) 0.0/h, 每機械人小時停機次數(車隊其餘) 0.0/h⁨24⁩ · ⁨360/h⁩ · ⁨機械人⁩························⁨✓ 1.5 m/s⁩⁨A 區(機械人專用)⁩⁨無人⁩⁨⚠ 1.0 m/s⁩ · ⁨Δ 0.27 m⁩⁨共用區⁩⁨⛔ 0⁩ · ⁨自由(局部避讓)⁩⁨0%⁩ · ⁨協作機械人工作單元⁩⚙⚙⚙⚙⁨⚡ 0/6⁩ · ⁨⌛ 0⁩ · ⁨充電器⁩······⁨軟件:v1 · v2.0 · v2.1⁩⁨v1 24⁩ · ⁨v2.0 0⁩ · ⁨v2.1 0⁩⁨0.0/h 最新⁩ · ⁨0.0/h 其餘⁩
  • 執行任務中
  • 在協作機械人工作單元
  • 等候工作單元
  • 閒置
  • 充電中
  • 等候充電器
  • 更新軟件中
  • 已停下(連線或定位)
  • 陷入死鎖
  • 沒電,被拖走
  • 無人區域
  • 區內有人,速度在安全區之內
  • 有人之處速度超出安全區
  • 協作機械人工作單元內有人
  • 充電器停用

控制項

後備機械人從車庫啟動;停泊的機械人不耗電。每部運作中的機械人每小時花費一個機械人小時。

A 區禁止人員進入,因此機械人可以高速行駛。如有人進入,速度必須再次符合人員偵測區的範圍。

這裏一直有人工作。此速度下的停止距離必須在 1.3 m 的人員偵測區範圍之內。

自由:機械人只在局部互相避讓——快,但兩部或以上可能永久互相阻擋。區域預留:機械人要等前方的區域都已為它預留,才會駛入路口——不會死鎖,每次通過路口要短暫等候。

即時釋放所有陷入死鎖的機械人。每釋放一部機械人花費 2 操作員分鐘;這不能阻止新的死鎖形成。

機械人完成任務時電量等於或低於此值,就會加入充電器輪候隊列。數值越低越能用盡電池,但等得太久的機械人可能會完全沒電。

充電器在約 70 % 以下以全功率充電;超過後電流會逐漸減小。較早停止可讓充電器更快空出來。

沒有任務的機械人會前往任何空置的充電器,而不是閒置等候;一旦有訂單在等,而且電量比送去充電的門檻高出 20 %,便會再次出發工作。

工作單元內無人時的工具速度。以 1 m/s 處理一個裝有 10 件貨品的周轉箱需時 25 s。

功率與力限制:被夾在周轉箱上的手所受的力不得超過 140 N(準靜態限值,保守地採用),因此這裏最多只容許 0.67 m/s。

移動滑桿會把最新發佈的版本推出至該比例的車隊(按次序最前面的機械人);其餘運行 v1。之後才發佈的版本,要再次移動滑桿才會安裝。每部轉換版本的機械人會停止服務 4 分鐘。

指標

已包裝周轉箱
360/h
正常
訂單前置時間
0.0min
正常
可用機械人
100%
正常
有人區域的停止餘量
0.27m
正常
等候中的訂單0
協作機械人速度餘量(功率與力限制)0.17 m/s
平均電池電量67 %
最低電池電量42 %
輪候充電器的機械人0
充電中的機械人0
沒電的機械人(被拖走)0
陷入死鎖的機械人0
已形成的死鎖0
導航停機(連線或定位)0
每機械人小時停機次數(最新版本)0.0 /h
每機械人小時停機次數(車隊其餘)0.0 /h
使用最新版本的車隊比例0 %
使用 v2.0 的車隊比例0 %
更新中的機械人0
A 區速度設定1.5 m/s
操作員花在機械人上的時間0 min
已用機械人小時0 h
運作中的機械人24
行駛中的機械人0
A 區實際速度1.50 m/s
每次過路口等候時間0.0 s
車隊耗電功率0.00 kW
充電輸出功率0.00 kW
忙碌的協作機械人工作單元0 %

趨勢

已包裝周轉箱: — /h6000

危機情景

第 1 級 · 訂單高峰前一半充電器故障

早更,24 部機械人運作中,每分鐘約 3.7 張訂單。經過繁忙的一夜,車隊開更時平均電量為 60 %。第 15 分鐘,一次電力故障令六個充電器中的四個在本更餘下時間停用。第 90 分鐘訂單高峰開始(兩小時內 +25 %)。保持訂單流動,讓車隊帶着充足電量進入高峰,不要讓任何機械人完全沒電,並控制在本更的機械人小時預算之內。

  • 高峰期間及之後的平均前置時間 ≤ 3.5 分鐘
  • 高峰開始時車隊平均電量至少 49 %
  • 沒有機械人完全沒電
  • 本更最多 97 個機械人小時
  • 有人的地方,停止距離始終在偵測區內
  • 工作單元內有人時,協作機械人速度絕不超過功率與力限制

第 2 級 · 通道封閉、機械人堵死,維修人員走進 A 區

每分鐘約 4.2 張訂單,24 部機械人,交通控制設為自由行駛。第 10 分鐘,一條通道因重新擺放貨架而封閉:路口減少、迎面相遇增多,而且沒有繞道。第 60 分鐘,一隊維修人員進入機械人專用的 A 區 40 分鐘。以少量操作員時間保持訂單流動,在有人的地方確保每段停止距離都在安全區之內,並在 A 區清空後再次讓它全速運行。

  • 平均前置時間 ≤ 6 分鐘
  • 維修人員離開後,A 區平均速度回到 ≥ 1.4 m/s
  • 最多形成 1 個死鎖
  • 操作員花在機械人上最多 20 分鐘
  • 有人的地方,停止距離始終在偵測區內
  • 工作單元內有人時,協作機械人速度絕不超過功率與力限制

第 3 級 · 新導航軟件的金絲雀推出

通道昨晚重新擺放了貨架,使用現行軟件(v1)的機械人在那裏更常失去自身位置;每次失位都需要操作員處理。版本 v2.0 修正了這個問題,並已作為金絲雀在 10 % 車隊上運行。給金絲雀足夠時間作出判斷,把它與車隊其餘部分比較,決定擴大推出還是回滾,並讓車隊轉到良好的版本——分階段進行,同時不要一次令太多機械人停止服務。

  • 首 12 分鐘保持金絲雀運行(≥ 5 % 車隊使用 v2.0)
  • 第 30 至 49 分鐘撤離有問題的 v2.0(平均 ≤ 1 % 車隊使用)
  • 緊急修補推出後首 10 分鐘內只用於最多 20 % 車隊
  • 緊急修補及時推出:發佈後平均 ≥ 55 % 車隊使用該版本
  • 結束時至少 90 % 車隊使用最新版本
  • 任何時候至少 60 % 機械人可用
  • 有人的地方,停止距離始終在偵測區內
  • 工作單元內有人時,協作機械人速度絕不超過功率與力限制

依據:數字背後的模型

模擬器使用的每一個關係式及其來源。標示為假設的常數是示意校準值。

利特爾法則:所有尚未包裝的訂單——等候中或已在機械人上——除以實際包裝周轉箱的速率,即得出前置時間。
lead time W = L / X, L = orders waiting + orders on a robot, X = totes packed per minute (smoothed, τ = 10 min)[5]
越多機械人共用通道,速度越低(Greenshields 線性速度–密度關係)。
v_eff = v · max(0.1, 1 − n_moving / N_jam), N_jam = 120 robots (80 with an aisle closed)[7][9]數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。
沒有預留時,兩部機械人可能各自等待對方佔用的空間——即循環等待。相遇次數隨行駛中機械人數目的平方增加。
free traffic: P(new deadlock in a minute) = 1 − e^(−κ·n_moving²/n_I), κ = 0.00001 (× 300 with an aisle closed, n_I = 6 → 4); a robot behind joins with p = 0.5 (≤ 8); the fleet manager re-plans with p = 0.2/min (0.03/min with no detour)[8][10]數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。
區域預留:機械人要等前方的區域都已為它預留(一次過、按固定次序)才會駛入,從而消除循環等待;每個路口就像一個單一服務台、通過時間固定的隊列。
zone reservation: a robot enters only when the zones ahead are granted to it → no circular wait; each crossing W = ρτ / (2(1 − ρ)), ρ = λ_I·τ, τ = 2 s, 6 crossings per task[8][6][9]數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。
在可能有人的地方,停止距離——反應行程加上制動距離——必須在人員偵測區之內。
d_stop = v·t_r + v²/(2a) + C ≤ F (t_r = 0.3 s, a = 0.8 m/s², C = 0.1 m, F = 1.3 m ⇒ v ≤ 1.17 m/s where people can be)[1][2]數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。
功率與力限制:與手接觸時仍低於容許力的最高速度,由手與機械人的折合質量及手的剛度計算得出。即使是短暫接觸也採用準靜態限值,屬保守做法。
v ≤ F / √(μ·k), μ = (1/m_H + 1/m_R)⁻¹, m_R = M/2 + m_L; hand: F = 140 N (quasi-static limit, used conservatively), k = 75 N/mm, m_H = 0.6 kg; M = 24 kg, m_L = 3 kg ⇒ v ≤ 0.67 m/s[3][4]數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。
一箱貨品需要抓取時間,加上每件貨品兩次手臂伸展;工作單元內有人時,協作機械人以協作速度運行。機械人按到達工作單元的先後次序獲處理,在每分鐘內逐秒計算。
tote time = 10 items × (1.5 s + 2 × 0.5 m / v_cobot); v_cobot = collaborative speed while a person is in the cell; 4 cells, served in order of arrival within the minute[3]數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。
行駛功率:固定的電子設備負載、滾動阻力,以及每次停車再起步時損失的制動能量。
P = 60 W + C_rr·m·g·v/η + 0.03/m · v · ½mv²·(1 − r)/η (C_rr = 0.012, m = 500 kg, η = 0.75, r = 0.5)[12]數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。
充電器在電量約 70 % 以下以全功率充電,之後電流逐漸減小(先恆流,後恆壓)。
P_charge = 0.8 kW up to 70 % SoC, then × (1 − 0.9·(SoC − 70)/30); battery 0.8 kWh; stranded at 1 %[11][10]數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。
當與車隊管理系統的連線靜默時間超過機械人的看門狗計時器,機械人便會停下;看門狗越短,會被越多短暫的 Wi-Fi 中斷觸發。
P(link silent > W in a robot-minute) = 0.224·e^(−W/0.1 s); watchdog W: v1 0.5 s, v2.0 0.15 s, v2.1 0.5 s; stop 2 min[13]數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。
金絲雀比較:使用最新版本的機械人與車隊其餘機械人每機械人小時的停機次數比較。
stops per robot-hour, canary vs control: 60·stops / robots (smoothed τ = 10 min); update or rollback = 4 min out of service[13]
此模型的其他常數
task 200 m in zone A + 40 m in the shared area · 6 intersections · 4 cobot cells, a person inside 25 % of minutes · 6 chargers · shift-start charge stratified over mean ± 27.5 % · v1 mislocalises 0.6 % per driving minute in re-racked aisles (others 0.04 %), 6-min stop + 3 operator-min · clearing a deadlock 2 operator-min per robot · tow 15 operator-min數值僅作說明,並非任何實際場地或產品的數值。實際場地會根據自身的風險評估及製造商資料設定偵測區、速度和限制。

隨機性:帶種子的 mulberry32 產生器;所用分布包括均勻分布、指數分布(反 CDF)、常態分布(Box–Muller)及泊松分布(Knuth)。種子會顯示出來,並可分享。

來源

  1. ISO 3691-4:2023 Industrial trucks — Safety requirements and verification — Part 4: Driverless industrial trucks and their systems (personnel detection, zones, speed) — ISO/TC 110/SC 2, 2023
  2. ISO 13855:2024 Safety of machinery — Positioning of safeguards with respect to the approach of the human body (minimum distance S = K·T + C; replaces the 2010 edition) — ISO/TC 199, 2024
  3. ISO/TS 15066:2016 Robots and robotic devices — Collaborative robots (Annex A: body-region limits; transient contact speed v = F/√(μk), μ = (1/m_H + 1/m_R)⁻¹, m_R = M/2 + m_L) — ISO/TC 299, 2016
  4. ISO 10218-2:2025 Robotics — Safety requirements — Part 2: Industrial robot applications and robot cells (collaborative applications; takes over the ISO/TS 15066 body-region data) — ISO/TC 299, 2025
  5. J. D. C. Little — A Proof for the Queuing Formula: L = λW — Operations Research 9(3):383–387, 1961
  6. M. Harchol-Balter — Performance Modeling and Design of Computer Systems (M/G/1 Pollaczek–Khinchine mean wait; M/D/1) — Cambridge University Press, 2013
  7. B. D. Greenshields — A Study of Traffic Capacity (linear speed–density relation) — Highway Research Board Proceedings 14:448–477, 1935
  8. E. G. Coffman, M. Elphick, A. Shoshani — System Deadlocks (the four necessary conditions; prevention by ordered resource allocation) — ACM Computing Surveys 3(2):67–78, 1971
  9. I. F. A. Vis — Survey of research in the design and control of automated guided vehicle systems (fleet sizing, zone control, deadlocks, battery management) — European Journal of Operational Research 170(3):677–709, 2006
  10. M. De Ryck, M. Versteyhe, F. Debrouwere — Automated guided vehicle systems, state-of-the-art control algorithms and techniques (traffic, deadlock avoidance, battery charging strategies) — Journal of Manufacturing Systems 54:152–173, 2020
  11. BU-409: Charging Lithium-ion (constant current to about 70 % state of charge, then constant voltage while the current tapers) — Battery University
  12. T. D. Gillespie — Fundamentals of Vehicle Dynamics (rolling resistance F = C_rr·m·g; kinetic energy lost in braking) — SAE International, 1992
  13. The Site Reliability Workbook — Ch. 16 Canarying Releases (canary vs control, multi-stage rollout, rollback) — Beyer, Murphy, Rensin, Kawahara, Thorne (eds.), O'Reilly, 2018

誰在從事這份工作

教育模型,不可用於實際營運決策。真實場地會按自己的設備及數據校準每一個常數。